第11章計算機在土木工程中的應用11.1計算機輔助設計

11.2土木工程的計算機仿真

11.3土木工程專家系統(tǒng)第11章計算機在土木工程中的應用11.1計算機111.1計算機輔助設計11.1.1計算機輔助設計的概述，以及其起源和發(fā)展

計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，簡稱CAD）是一種利用計算機硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對產品或工程進行設計的方法和技術，是一門多學科綜合應用的新科學。到目前為止計算機應用已經滲透到了機械、電子、建筑等領域當中，利用計算機，人們可以進行產品的計算機輔助制造(ComputerAidedMake，簡稱CAM)、計算機輔助工程分析(ComputerAidedEngineering，簡稱CAE)、計算機輔助工藝規(guī)劃(ComputerAidedProcessingPlanning，簡稱CAPP)、產品數據管理(ProductDataManagement，簡稱PDM)、企業(yè)資源計劃(EnterpriseResourcePlanning,簡稱ERP)等等。CAD系統(tǒng)準確地講是指計算機輔助設計系統(tǒng),其內容涵蓋產品設計的各個方面。把計算機輔助設計和計算機輔助制造集成在一起,稱為CAD/CAM系統(tǒng)。習慣上工程界把CAD/CAM系統(tǒng)甚至CAD/CAM/CAE系統(tǒng)仍然叫做CAD系統(tǒng),這樣CAD系統(tǒng)的內涵就在無形中被擴大了11.1計算機輔助設計11.1.1計算機輔助設計的概述2CAD的起源應追溯到二十世紀50年代中期，由麻省理工大學林肯實驗室為美國空軍研發(fā)的SAGE（SemiAutomaticGroundEnvironment）防空系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用CTR顯示器展現經過計算機處理的雷達以及其他信息其后，CAD/CAM之父的PatrickJ.Hanratty在1957年開發(fā)了PRONTO，世界上第一個數控編程系統(tǒng)緊接著在1959年IvanSutherland在麻省理工大學林肯實驗室使用TX-2計算機開發(fā)了SKETCHPAD系統(tǒng)，這套能夠通過使用光筆在屏幕上與計算機系統(tǒng)進行人機交互作業(yè)的系統(tǒng)被人們認為是CAD工業(yè)邁出的第一步進入二十世紀70年代之后，計算機硬件性能和計算機圖形學都有了很大的發(fā)展，建筑設計人員開始與軟件設計人員密切配合，促使專業(yè)化的計算機輔助建筑設計（CAAD）軟件誕生二十世紀80年代到90年代，計算機性能的提高以及個人電腦的出現使CAD系統(tǒng)發(fā)展的格局有了不小的變化，從當初針對大型機轉向對PC的開發(fā)二十世紀末二十一世紀初，國際CAD產業(yè)進入了一個聯(lián)合、收購、兼并頻繁的時期，迄今制造業(yè)的CAD產品已經被兼并成四大譜系：IBM/Dassault、EDS/Unigraphics、PTC和Autodesk11.1計算機輔助設計CAD的起源應追溯到二十世紀50年代中期，由麻省理工大學林肯3PatrickJ.Hanratty因對計算機輔助設計與制造領域作出突破性貢獻而被公認為CAD/CAM之父IvanSutherland1959年在麻省理工大學林肯實驗室使用TX-2計算機開發(fā)了SKETCHPAD系統(tǒng)，這套能夠通過使用光筆在屏幕上與計算機系統(tǒng)進行人機交互作業(yè)的系統(tǒng)被人們認為是CAD工業(yè)邁出的第一步11.1計算機輔助設計PatrickJ.HanrattyIvanSutherl4在TX-2計算機上運行的Sketchpad系統(tǒng)11.1計算機輔助設計在TX-2計算機上運行的Sketchpad系統(tǒng)11.1計511.1.2CAD在我國建筑工程領域的應用使用AutoCADR14作為平臺的理正建筑設計軟件圖從三維實體到二維投影的思維方式

早期的AutoCAD針對的主要是二維圖形的繪制，但是從其R12版本開始從平面到立體的思維方式轉變成了從立體到平面。從前設計者們往往繪制的就是建筑物的三向投影圖，但今天設計者們可以首先將腦海中建筑物的形體直接在AutoCAD的繪圖空間中表達出來，然后再針對不同的平面獲取這個形體的投影圖或是軸測圖11.1計算機輔助設計11.1.2CAD在我國建筑工程領域的應用使用AutoCA6對象捕捉、跟蹤，以及橡皮筋與拖拽使用AutoCAD進行設計前首先要掌握的是其對象捕捉、對象跟蹤、圖層、控制點、坐標系這些重要的概念，對象實際上是指在繪圖空間中的一切圖素，如一個圓、一條多義線甚至是一個實體，而對象捕捉則是指光標在靠近對象的時候，由AutoCAD自動的將焦點聚于對象上符合捕捉模式的控制點之上11.1計算機輔助設計對象捕捉、跟蹤，以及橡皮筋與拖拽使用AutoCAD進行設計7

四個同樣的矩形被放置在不同的圖層當中圖層可以說是并行的繪圖空間，在這一點上有些像“四維時空”——分屬于不同時間的空間重疊起來，卻又互不關聯(lián)，同樣的在不同圖層中的對象也不會相互干擾，這樣就為管理繁雜的圖塊提供了便利。一般來說如果沒有特別指定的話，對象的顏色、線型等屬性都會由其所屬的圖層指定（ByLayer）11.1計算機輔助設計 四個同樣的矩形被放置在不同的圖層當中圖層可以說是并行的8幾種不同的AutoCAD二次開發(fā)手段的比較作為一個開放的平臺，AutoCAD提供了幾種進行二次開發(fā)的手段：AutoLISP、VBA、以及ObjectARX11.1計算機輔助設計幾種不同的AutoCAD二次開發(fā)手段的比較作為一個開放的平9

由北京天正工程軟件有限公司開發(fā)的天正系列軟件是國內最早開始對AutoCAD進行二次開發(fā)的CAAD軟件之一，從1994年至今已經發(fā)展出天正建筑、電氣、暖通、給排水、日照、結構、裝修、市政等一系列建筑工程相關軟件。據稱其天正建筑TArch軟件已經成為了國內建筑設計CAD事實上的行業(yè)標準天正建筑Tarch對建筑物模型表面材質進行設置的情形11.1計算機輔助設計由北京天正工程軟件有限公司開發(fā)的天正系列軟件是10使用3D3S設計的體育館模型3D3S是由同濟大學開發(fā)，主要針對鋼結構設計的CAAD軟件。它可以對鋼結構、空間張拉結構、膜材結構、幕墻結構、網架網殼結構以及塔桅結構等進行分析計算，據稱目前3D3S已經成為了國內使用最廣的鋼結構軟件11.1計算機輔助設計使用3D3S設計的體育館模型3D3S是由同濟大11使用廣廈建筑結構CAD進行結構設計

廣廈系列結構設計軟件是由廣東省建筑設計研究員和深圳市廣廈軟件有限公司自1996年開始進行開發(fā)的CAAD軟件，主要由鋼筋混凝土結構CAD、鋼結構CAD、打圖管理系統(tǒng)幾個部分組成。廣廈系列比較有特色的地方在于其提出了“軟件租用”的概念，在其網站中注冊成為會員以后便可以通過互聯(lián)網使用其軟件進行結構設計，這可能是推廣軟件使用的一個有效的手段11.1計算機輔助設計使用廣廈建筑結構CAD進行結構設計廣廈系列12使用PKPM生成施工圖11.1計算機輔助設計使用PKPM生成施工圖11.1計算機輔助設計13軟件名稱開發(fā)者PKPM系列中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所RSD中國建筑科學研究院地基基礎研究所ABD系列中國建筑科學研究院ABD系列軟件開發(fā)部TBSA系列中國建筑科學研究院高層部SACB中國建筑科學研究院抗震所ETABS美國計算機和結構公司（CSI）UP中國建筑科學研究院結構所STAADCHINA2004阿依艾工程軟件有限公司X-SteelStructures芬蘭Tekla公司SAP2000/StruCAD/SAFE/SECTIONBUILDER英國AceCAD公司SCIA德賽公司代理PS2000/SS2000中冶集團建筑研究總院鋼結構軟件開發(fā)部GFCAD中國建筑標準設計研究所開發(fā)PDSOFT系列中國科學院計算技術研究所CAD開放實驗室3D3S/M&Tsteel/CCC/啟明星系列同濟大學廣廈系列深圳市廣廈軟件有限公司11.1計算機輔助設計軟件名稱開發(fā)者PKPM系列中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究14MSTCAD浙江大學SSCAD上海交通大學TWCAD天津大學理正系列北京理正軟件設計研究所天正系列北京天正工程軟件有限公司大力神北京中地新創(chuàng)科技公司TUS2000清華大學建筑設計院TSSD北京探索者公司佳友CAD順德建筑設計院有限公司PRCS合肥工業(yè)大學FAP-3北京長筑工程軟件有限公司中望CAD/建筑/景園中望龍騰科技發(fā)展有限公司11.1計算機輔助設計MSTCAD浙江大學SSCAD上海交通大學TWCAD天津大學15仿真類型全物理仿真（模擬仿真）半物理仿真（混合仿真）計算機仿真（數字仿真）模型類型物理模型物理－數學模型數學模型計算機類型模擬計算機混合計算機數字計算機應用舉例振動臺實驗偽動力實驗計算機模擬實驗

國內建筑結構行業(yè)常用CAAD軟件仿真類型亞實時仿真實時仿真超實時仿真時間比例關系仿真時鐘<實時時鐘仿真時鐘=實時時鐘仿真時鐘>實時時鐘應用舉例結構生命全過程仿真振動臺實驗偽動力實驗國內建筑結構行業(yè)常用CAAD軟件11.2.1計算機仿真的概念，以及其起源和發(fā)展11.2土木工程的計算機仿真仿真類型全物理仿真（模擬仿真）半物理仿真計算機仿真模型類型物16

計算機仿真技術把現代仿真技術與計算機發(fā)展結合起來，通過建立系統(tǒng)的數學模型，以計算機為工具，以數值計算為手段，對存在的或設想中的系統(tǒng)進行實驗研究。在我國，自從20世紀50年代中期以來，系統(tǒng)仿真技術就在航天、航空、軍事等尖端領域得到應用，取得了重大的成果。自20世紀80年代初開始，隨著微機的廣泛應用，數字仿真技術在土木工程、自動控制、電氣傳動、機械制造、造船、化工等工程技術領域也得到了廣泛應用

有限元分析（FiniteElementAnalyse，簡稱FEA）作為計算機仿真的重要手段在土木工程有著極其廣泛的應用，其實質在于用大量離散的單元代表一個給定的域1941年Hrenikoff提出了所謂的網格法，它將平面彈性體看作是一批桿件和梁；1943年Courant提出了在一個子域上采用逐段連續(xù)函數來接近未知函數。Hrenikoff和Courant提出的無疑是有限元方法（FiniteElementMethod，簡稱FEM）的關鍵特性，但正式的有限元法的文獻則應歸功于Argyris、Kelsey、Turner、Clough、Martin和Topp，其中Clough于1960年第一次使用了“有限元”這個名詞，其后有限元的研究開始迅速發(fā)展，在結構力學、流體力學、電學、熱力學，核物理等方面都有著極為重要的應用11.2土木工程的計算機仿真計算機仿真技術把現代仿真技術與計算機發(fā)展結合17現代有限元歷史背景

正是因為有限元分析在工程領域的重要應用，很多軟件公司都開發(fā)了不同的有限元分析軟件。其中在國內影響較大的有ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等，如表12.4所示。這些有限元分析軟件往往已經整合了CAD建模的部分，同時也會對第三方CAD模型提供支持11.2土木工程的計算機仿真現代有限元歷史背景正是因為有限元分析在工程18ABAQUSADINAAFEMSAirMechanicsALADDINAlgorANSYSAVwin(Avansse)BEASYBOSSInternationalCADRECADSCAEFEMCESAR-LCPCCAESARII-(pipestressanalysis)COSARCOSMOS/MCSA/GENSACSA/NASTRANCSA/VisualforAutoCADCSTRAADDIANADYNA3DELFENENERCALCESACompETABS(CSI)FE/PipeFEItFEMAPFEMGVFlexPDEGenesisGRAPEGBW16&GBW32GTSTRUDLHyperMesh(AltairComputing)I-DEASMasterSeriesIndusFEAINERTIALapFEALARSALUSASMARCME/NASTRAN常用有限元分析軟件11.2土木工程的計算機仿真ABAQUSADINAAFEMSAirMechanicsAL19MicrostranforWindowsMotionView(AltairComputing)MSC/DYTRANMSC/FATIGUEMSC/MARCMSC/NASTRANMSC/NASTRAN(forWindows)MSC/PatranmTAB*STRESSMultiframeNE/NastranNISA/DISPLAYOptiStruct(AltairComputing)P-Frame(Softek)PDEToolboxPDEase2DPENTAGON2DPENTAGON3DPERMASProkonProPHLEXRISA-2DRISA-3DRobot97RSTABS-Frame(Softek)SAFE(CSI)SAFISAMCEFSAP2000(CSI)SoFiSTiKSTAADIIISTAAD/ProSTARDYNESTRAND6STRAPStressCheckTEDDSVISAGEZebulon常用有限元分析軟件11.2土木工程的計算機仿真MicrostranforWindowsMotionVi2012.2.2仿真軟件在我國建筑工程領域中的應用

常見的通用有限元分析程序，如ANSYS、ABAQUS、DIANA、ADINA、IDARC、ALGOR等程序當中對國內影響比較大的是ANSYS國家大劇院計算模型結構的整體變形11.2土木工程的計算機仿真12.2.2仿真軟件在我國建筑工程領域中的應用21使用ANSYS建模并進行力學分析在ANSYS中導入AutoCAD模型

使用ANSYS進行結構有限元分析一般分前處理、求解和后處理三步。其中前處理當中會包含著建模、設定分析類型、設定模型材料性質參數、設定單元類型、劃分單元、施加約束和荷載幾步，是整個分析過程用時最多的部分。一個有限元分析是否合理，甚至于有限元分析是否能夠正常完成都取決于前處理工作完成的質量11.2土木工程的計算機仿真使用ANSYS建模并進行力學分析在ANSYS中導入Auto22ANSYSWorkbench設計思路在ANSYSWorkbench中導入AutoCAD模型

作為當今大型通用程序專業(yè)化的趨向，ANSYS也推出了供開發(fā)者針對特定分析需求，開發(fā)具自主知識產權軟件的專用平臺ANSYSWorkbench。它提供了一個加載和管理各種API組件的基本框架，在這個框架中各種組件通過Jscript、Vbscript和HTML腳本組織成適合用戶使用的GUI，開發(fā)者自己的技術也可以向ANSYS的技術一樣編制成API融入到程序當中11.2土木工程的計算機仿真ANSYSWorkbench設計思路在ANSYSWo23

ANSYSWorkbench自動進行分析，定義接觸在ANSYSWorkbench環(huán)境中查看應力云圖ANSYS功能雖然強大，但美中不足的是由于ANSYS對混凝土、地基等高度非線性問題的處理相當困難，相較之下ABAQUS在這方面有著更有為優(yōu)越的表現11.2土木工程的計算機仿真 ANSYSWorkbench自動在ANSYSWor24ABAQUS是美國ABAQUS公司于1978年推出的一套功能強大的有限元分析軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質材料。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結構（應力、位移）問題，還可以模擬其他工程領域的許多問題，例如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析（流體滲透、應力耦合分析）及壓電介質分析11.2土木工程的計算機仿真ABAQUS是美國ABAQUS公司于1972511.3土木工程專家系統(tǒng)11.3.1人工智能

不同科學或學科背景的學者對人工智能有不同的理解，提出不同的觀點，人們稱這些觀點為符號主義（Symbolism）、聯(lián)結主義（Connectionism）和行為主義（Actionism）等，或者叫做邏輯學派（Logicism）、仿生學派（Bionicsism）和生理學派（Physiologism），此外還有計算機學派、心理學派和語言學派等。但一般來說人們認為人工智能是模仿和執(zhí)行人腦的某些智能功能，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、設計、思考、規(guī)劃、學習和問題求解等思維活動11.3土木工程專家系統(tǒng)11.3.1人工智能26人工智能之父AlanTuring

著名的英國科學家AlanTuring被稱為人工智能之父，AlanTuring不僅創(chuàng)造了一個簡單的通用的非數字計算模型，而且直接證明了計算機可能以某種被理解為智能的方法工作。1950年，AlanTuring發(fā)表了題為《計算機能思考嗎？》的論文，對人工智能給出定義并且論證了人工智能的可能性11.3土木工程專家系統(tǒng)人工智能之父AlanTuring著名的英27

目前人工智能的主要學派主要有符號主義、聯(lián)結主義以及行為主義三家。這三種不同的學派中以聯(lián)結主義最為人們所關注。它源于仿生學中對人腦模型的研究，其代表成果是1943年生理學家McCulloch和數理邏輯學家Pitts創(chuàng)立的腦模型，即MP模型。60到70年代，聯(lián)結主義，尤其是對以感知機（Perceptron）為代表的腦模型的研究曾出現過熱潮，由于當時的理論模型、生物原型和技術條件的限制，腦模型研究在70年代后期至80年代初期落入低潮。直到Hopfield在1982年和1984年發(fā)表兩篇重要論文，提出用硬件模擬神經網絡之后聯(lián)結主義又重新抬頭。1986年Rumelhart等人提出多層網絡中的反向傳播(BP)算法。此后，聯(lián)結主義勢頭大振，從模型到算法，從理論分析到工程實現，為神經網絡計算機走向市場打下基礎。11.3土木工程專家系統(tǒng)目前人工智能的主要學派主要有符號主義、聯(lián)結主28

對于人工智能的技術發(fā)展也有幾種不同的爭論，如專用路線、通用路線、硬件路線以及軟件路線等，其研究領域包括語言處理、定理證明、數據檢索系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、問題求解、人工智能方法、程序語言設計、自動程序設計以及專家系統(tǒng)等。但引用R.Shank的話“一臺計算機如果不能學習，它就不是智能的”，人工智能的學習才是最其重要的研究領域11.3土木工程專家系統(tǒng)對于人工智能的技術發(fā)展也有幾種不同的爭論，如2911.3.2專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是指能夠運用特定領域的專門知識，通過推理來模擬通常由人類專家才能解決的各種復雜的、具體的問題，達到與專家具有同等解決問題能力的計算機智能程序系統(tǒng)。它能對決策的過程作出解釋，并有學習功能，即能自動增長解決問題所需的知識專家系統(tǒng)的三個特點：邏輯判斷、過程透明和自我學習

專家系統(tǒng)的結構是指專家系統(tǒng)各組成部分的構造方法和組織形式。系統(tǒng)結構選擇恰當與否，是與專家系統(tǒng)的適用性和有效性密切相關的。選擇什么結構最為恰當，要根據系統(tǒng)的應用環(huán)境和所執(zhí)行任務的特點而定11.3土木工程專家系統(tǒng)11.3.2專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是指能夠運用特定30由于每個專家系統(tǒng)所需要完成的任務和特點不同，其系統(tǒng)結構也不盡相同，一般只具有圖中部分模塊理想專家系統(tǒng)的結構圖11.3土木工程專家系統(tǒng)由于每個專家系統(tǒng)所需要完成的任務和特點不同，其系統(tǒng)結構也不盡31專家系統(tǒng)的主要組成部分知識庫(KnowledgeBase)

：知識庫用于存儲某領域專家系統(tǒng)的專門知識，包括事實、可行操作與規(guī)則等綜合數據庫(GlobalDatabase)

：又稱全局數據庫或總數據庫，它用于存儲領域或問題的初始數據和推理過程中得到的中間數據(信息)，即被處理對象的一些當前事實推理機(ReasoningMachine)：用于記憶所采用的規(guī)則和控制策略的程序，使整個專家系統(tǒng)能夠以邏輯方式協(xié)調地工作

解釋器(Explanator)：能夠向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為，包括解釋推理結論的正確性以及系統(tǒng)輸出其他候選解的原因接口(Interface)：又稱界面，它能夠使系統(tǒng)與用戶進行對話，使用戶能夠輸入必要的數據、提出問題和了解推理過程及推理結果等

11.3土木工程專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的主要組成部分11.3土木工程專家系統(tǒng)32

專家系統(tǒng)的發(fā)展已經歷了3個階段，正向第四代過渡和發(fā)展。第一代專家系統(tǒng)（DENDRAL、MACSYMA等）以高度專業(yè)化、求解專門問題的能力強為特點。但在體系結構的完整性、可移植性等方面存在缺陷，求解問題的能力弱。第二代專家系統(tǒng)（MYCIN、CASNET、PROSPECTOR、HEARSAY等）屬單學科專業(yè)型、應用型系統(tǒng)，其體系結構較完整，移植性方面也有所改善，而且在系統(tǒng)的人機接口、解釋機制、知識獲取技術、不確定推理技術、增強專家系統(tǒng)的知識表示和推理方法的啟發(fā)性、通用